مار روباتیک Bioinspired: 16 Step (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

من بعد از دیدن فیلم های تحقیقاتی از درختان در حال صعود به مارهای روباتیک و مارماهی های روباتیک ، از این پروژه الهام گرفتم. این اولین تلاش من برای ساخت روبات با استفاده از حرکت مار است ، اما این آخرین تلاش من نخواهد بود! اگر می خواهید پیشرفت های آینده را ببینید ، در YouTube مشترک شوید.

در زیر من ساخت 2 مار مختلف به همراه فایل های چاپ سه بعدی و بحث در مورد کد و الگوریتم ها برای دستیابی به حرکت مار را شرح می دهم. اگر مایل به یادگیری بیشتر هستید ، پس از خواندن این دستورالعمل ، پیشنهاد می کنم پیوندها را در قسمت منابع در انتهای صفحه بخوانید.

این دستورالعمل از نظر فنی 2 در 1 است ، به این معنی که من نحوه ساخت 2 نسخه مختلف از یک مار روباتیک را توضیح می دهم. اگر فقط به ساختن یکی از مارها علاقه دارید دستورالعمل های مار دیگر را نادیده بگیرید. این دو مار مختلف از اینجا به بعد با استفاده از عبارات زیر به جای یکدیگر به کار می روند:

1. مار تک محور ، مار 1 بعدی یا مار زرد و سیاه
2. مار دو محوره ، مار دو بعدی یا مار سفید

البته می توانید مارها را در هر رشته رنگی که می خواهید چاپ کنید. تنها تفاوت این دو مار در این است که در مار دو بعدی هر موتور نسبت به قبلی 90 درجه می چرخد ، در حالی که در مار 1 بعدی همه موتورها در یک محور واحد تراز می شوند.

یک پیشگفتار نهایی این است که در حالی که هر یک از مارهای من فقط 10 سرو دارند ، می توان مارها را با بیشتر یا کمتر سرو سرو کرد. نکته ای که باید در نظر بگیرید این است که با سروهای کمتر به حرکت کمتری دست خواهید یافت ، و با سروهای بیشتر احتمالاً در حرکت مارپیستن موفق تر خواهید بود اما باید هزینه ، قرعه کشی فعلی (نکات بعدی را ببینید) و تعداد پین ها را در نظر بگیرید. موجود در آردوینو با خیال راحت طول مار را تغییر دهید ، اما در نظر داشته باشید که برای تغییر این کد نیز باید کد را تغییر دهید.

مرحله 1: اجزاء

این لیست قطعات برای یک مار واحد است ، اگر می خواهید هر دو مار را بسازید ، باید حجم اجزای آن را دو برابر کنید.

• 10 سرو MG996R*
• فیلامنت پرینت سه بعدی 1.75 میلی متری
• 10 بلبرینگ ، قطعه شماره 608 (من معدن را از لبه بیرونی تارهای فیجت Jitterspin نجات دادم)
• 20 بلبرینگ کوچک ، شماره قسمت r188 ، برای چرخ ها ** (من معدن را از قسمت داخلی فیتجت های جیترسپین نجات دادم)
• 40 پیچ سر فیلیپس 6-32 1/ 1/2 اینچ (یا مشابه)
• 8 پیچ بلندتر (من شماره قطعه ندارم اما قطر آنها با پیچ های بالا یکسان است)
• حداقل 20 قطعه زیپ 4 اینچی (به شما بستگی دارد که چقدر می خواهید استفاده کنید)
• 5 متر سیم قرمز و سیاه 20 سنج یا ضخیم تر ***
• سیم استاندارد 22 سنج
• 30 پین سربرگ مرد (تقسیم شده به 10 قسمت 3)
• آردوینو نانو
• قطعات چاپ سه بعدی (بخش بعدی را ببینید)
• نوعی قدرت (برای اطلاعات بیشتر به بخش "قدرت دادن به مار" مراجعه کنید) ، من شخصاً از منبع تغذیه ATX اصلاح شده استفاده کردم
• خازن الکترولیتی 1000uF 25V
• لوله کوچک کننده در اندازه های مختلف ، لحیم کاری ، چسب و سایر ابزارهای متفرقه

*می توانید از انواع دیگر استفاده کنید ، اما باید فایلهای سه بعدی را مجدداً طراحی کنید تا با سرویس های شما مطابقت داشته باشد. همچنین اگر از سروهای کوچکتر مانند sg90 استفاده می کنید ، ممکن است متوجه شوید که آنها به اندازه کافی قوی نیستند (من این را آزمایش نکرده ام و آزمایش آن با شما است).

** نیازی به استفاده از بلبرینگ های کوچک برای چرخ ها ندارید ، من فقط تعداد زیادی دراز کشیدم. متناوباً می توانید از چرخ های LEGO یا چرخ های اسباب بازی دیگر استفاده کنید.

*** این سیم می تواند تا 10 آمپر از طریق آن عبور کند ، بسیار نازک است و جریان آن را ذوب می کند. برای اطلاعات بیشتر به این صفحه مراجعه کنید.

مرحله 2: اجزای چاپ سه بعدی

اگر در حال ساخت مار 1 بعدی هستید این قطعات را چاپ کنید.

اگر در حال ساخت مار دو بعدی هستید این قطعات را چاپ کنید.

نکته مهم: مقیاس ممکن است اشتباه باشد! من اجزای خود را در Fusion 360 (در واحد میلی متر) طراحی کردم ، طرح را به عنوان یک فایل.stl به نرم افزار MakerBot صادر کردم و سپس آن را روی چاپگر Qidi Tech (نسخه کلون MakerBot Replicator 2X) چاپ کردم. در جایی از این گردش کار یک اشکال وجود دارد و همه چاپهای من خیلی کوچک هستند. من نتوانستم محل اشکال را شناسایی کنم ، اما یک اصلاح موقت مقیاس دهی هر چاپ به اندازه 106٪ در نرم افزار MakerBot را دارم ، این مشکل را برطرف می کند.

با توجه به این موارد ، هشدار دهید که اگر فایلهای بالا را چاپ کنید ممکن است مقیاس آنها اشتباه باشد. پیشنهاد می کنم فقط یک قطعه را چاپ کرده و قبل از چاپ همه آنها ، بررسی کنید که آیا با سرو MG996R شما مطابقت دارد یا خیر.

اگر هر کدام از فایل ها را چاپ می کنید ، لطفاً نتیجه را به من اطلاع دهید: اگر چاپ بسیار کوچک است ، درست است ، خیلی بزرگ است و چند درصد است. با همکاری به عنوان یک جامعه می توانیم محل اشکال را با استفاده از چاپگرهای سه بعدی مختلف و برش های.stl عیب یابی کنیم. هنگامی که مشکل حل شد ، این بخش و پیوندهای بالا را به روز می کنم.

مرحله 3: مونتاژ مارها

روند مونتاژ بیشتر برای هر دو نسخه مار یکسان است. تنها تفاوت در مار دو بعدی است که هر موتور نسبت به موتور قبلی 90 درجه می چرخد ، در حالی که در مار 1 بعدی همه موتورها در یک محور واحد تراز می شوند.

با بازکردن سروو شروع کنید ، پیچ ها را ذخیره کرده و قسمت های بالا و پایین قاب پلاستیکی سیاه را بردارید و مراقب باشید که هیچ یک از چرخ دنده ها را گم نکنید! سروو را در قاب چاپ شده سه بعدی ، مانند جهت تصویر بالا ، قرار دهید. قسمت بالایی سروو را تعویض کرده و با چهار پیچ 6-32 1/2 اینچی آن را در جای خود پیچ کنید. قسمت پایینی قاب سروو را ذخیره کنید (در صورتی که می خواهید در پروژه های بعدی مجدداً از آن استفاده کنید) و آن را با 3D جایگزین کنید کیس چاپی ، تنها تفاوت در دستگیره اضافی برای بلغزش بلبرینگ است. سروو را به عقب بچرخانید ، 10 بار تکرار کنید.

مهم: قبل از ادامه باید کد را در Arduino بارگذاری کرده و هر سروو را به 90 درجه منتقل کنید. عدم انجام این کار می تواند منجر به شکستن یک یا چند قاب سروو و/یا چاپ سه بعدی شود. اگر از نحوه انتقال سروو به 90 درجه مطمئن نیستید ، این صفحه را ببینید. اساساً سیم قرمز سروو را روی آردوینو به 5 ولت ، سیم قهوه ای را به GND و سیم زرد را به پین دیجیتال 9 وصل کنید ، سپس کد را در پیوند بارگذاری کنید.

اکنون که هر سروو در 90 درجه است ، ادامه دهید:

10 قسمت را با قرار دادن دستگیره چاپ سه بعدی از یک سروو در سوراخ قطعه قطعه دوم وصل کنید ، سپس با کمی نیرو محور سروو را به سوراخ آن فشار دهید (برای وضوح تصاویر بالا و فیلم را ببینید). اگر شما مار یک بعدی می سازید ، همه بخش ها باید تراز شوند ، اگر شما مار دو بعدی می سازید ، هر بخش باید 90 درجه به قسمت قبلی بچرخد. توجه داشته باشید که قاب دم و سر فقط نیمی از طول بخش های دیگر است ، آنها را وصل کنید اما تا زمانی که سیم کشی را به پایان رسانید ، درباره قطعات هرمی اظهار نظر نکنید.

سروو بازو را به شکل x وصل کرده و در موقعیت خود پیچ کنید. بلبرینگ را روی دستگیره چاپ سه بعدی بکشید ، این امر مستلزم فشردن ملایم 2 پایه نیم دایره به هم است. بسته به نوع مارک رشته ای که استفاده می کنید و تراکم پر شدن ، ممکن است پست ها بسیار شکننده و محکم باشند ، من فکر نمی کنم این چنین باشد ، اما با این وجود از نیروی بیش از حد استفاده نکنید. من شخصاً از فیلامنت PLA با 10٪ پر کردن استفاده کردم. هنگامی که بلبرینگ روشن می شود ، باید با برجستگی های روی دستگیره قفل شود.

مرحله 4: مدار

این مدار برای هر دو مار روباتیک یکسان است. در طول فرآیند سیم کشی مطمئن شوید که فضای کافی برای هر قسمت به طور کامل بچرخد ، به ویژه در مار دو بعدی.

در بالا یک نمودار مدار برای سیم کشی با 2 سروو وجود دارد. من سعی کردم یک نقاشی مدار با 10 سرو انجام دهم اما خیلی شلوغ شد. تنها تفاوت این تصویر با زندگی واقعی این است که شما باید 8 سروو دیگر را به صورت موازی سیم کشی کنید و سیم های سیگنال PWM را به پین های آردوینو نانو وصل کنید.

هنگام سیم کشی خطوط برق ، من از یک قطعه سیم 18 سنج (ضخامت کافی برای تحمل 10 آمپر) به عنوان خط اصلی 5 ولت که از طول مار عبور می کند ، استفاده کردم. با استفاده از نوارهای سیمی ، قسمت کوچکی از عایق را در 10 بازه منظم برداشته و یک قطعه کوتاه سیم را از هر یک از این فواصل ، گروهی از 3 پین هدر نر را لحیم کردم. این کار را برای سیم GND 18 سنج مشکی و پین هدر دوم مرد تکرار کنید. سرانجام یک سیم بلندتر را به پین هدر سوم نر بچسبانید ، این پین سیگنال PWM را از آردوینو نانو در سر مار به سروو می رساند (سیم باید به اندازه کافی بلند باشد ، حتی زمانی که قطعات خم می شوند). در صورت نیاز لوله کاهنده حرارتی را وصل کنید. 3 پین هدر نر و 3 پین هدر زن سیمهای سروو را وصل کنید. 10 بار برای هر یک از 10 وعده تکرار کنید. در نهایت آنچه که این امر به دست می آورد سیم کشی سرویس ها به صورت موازی و اجرای سیم های سیگنال PWM به نانو است. دلیل پین هدر زن/مرد این بود که به راحتی می توانید بخش ها را جدا کرده و در صورت خراب شدن سرووها بدون همه چیز لحیم کاری ، آنها را جایگزین کنید.

سیمهای GND و 5V را با یک خازن و پایانه های پیچ به یک سوراخ سوراخ 3x7 در دم لحیم کنید. هدف خازن این است که هرگونه برآمدگی فعلی را که هنگام راه اندازی سروو ایجاد می شود ، حذف کند که می تواند Arduino Nano را تنظیم مجدد کند (اگر خازن ندارید ، احتمالاً می توانید بدون آن دور شوید ، اما بهتر است ایمن باشید) به به یاد داشته باشید که شاخه بلند خازن های الکترولیتی باید به خط 5V و شاخه کوتاهتر به خط GND متصل شود. سیم GND را به پین GND نانو و سیم 5V را به پایه 5 ولت لحیم کنید. توجه داشته باشید اگر از ولتاژ متفاوتی استفاده می کنید ، (بخش بعدی را ببینید) ، یک باتری لیپو با 7.4 ولت بگویید ، سپس سیم قرمز را به پین Vin وصل کنید ، نه پین 5 ولت ، این کار باعث از بین رفتن پین می شود.

10 سیم سیگنال PWM را به پین های آردوینو نانو لحیم کنید. من سیم خود را به ترتیب زیر سیم کشی کردم ، شما می توانید سیم خود را متفاوت انتخاب کنید اما فقط به یاد داشته باشید که سپس باید خطوط servo.attach () را در کد تغییر دهید. اگر مطمئن نیستید که من در مورد چه چیزی صحبت می کنم ، آن را به همان شیوه سیم کشی کنید و مشکلی نخواهید داشت. به ترتیب از سرووی دم مار تا سر مار ، هر دو مارم را به ترتیب زیر سیم کشی کردم. اتصال پین های سیگنال به: A0 ، A1 ، A2 ، A3 ، A4 ، A5 ، D4 ، D3 ، D8 ، D7.

برای تمیز کردن سیم کشی از zipties استفاده کنید. قبل از ادامه بررسی کنید که آیا همه قسمت ها می توانند با فضای کافی برای حرکت سیم ها بدون جدا شدن حرکت کنند. اکنون که سیم کشی انجام شده است می توانیم کلاه های هرمی شکل سر و دم را پیچ کنیم. توجه داشته باشید که دم دارای سوراخی برای خارج شدن اتصال از سر و سر دارای سوراخ برای کابل برنامه نویسی آردوینو است.

مرحله 5: قدرت دادن به مار

از آنجا که سرووها به طور موازی سیم کشی می شوند ، همه آنها ولتاژ یکسانی دارند ، اما باید جریان را اضافه کرد. با نگاهی به برگه اطلاعات سروهای MG996r ، آنها می توانند هر کدام تا 900mA در حین اجرا (با فرض عدم توقف) بکشند. بنابراین مجموع قرعه کشی فعلی اگر همه 10 سروو به طور همزمان حرکت کنند 0.9A*10 = 9A است. به عنوان یک آداپتور معمولی 5V ، 2A سوکت دیواری کار نمی کند. من تصمیم گرفتم منبع تغذیه ATX را که 5 ولت در 20 آمپر است ، تغییر دهم. من نمی خواهم نحوه انجام این کار را توضیح دهم ، زیرا قبلاً در Instructables و YouTube بسیار مورد بحث قرار گرفته است. یک جستجوی سریع آنلاین به شما نشان می دهد که چگونه یکی از این منابع تغذیه را اصلاح کنید.

با فرض اینکه منبع تغذیه را تغییر داده اید ، فقط یک اتصال طولانی بین منبع تغذیه و پایانه های پیچ مار است.

یکی دیگر از گزینه ها استفاده از یک پکیج باتری لیپو است. من این را امتحان نکرده ام ، بنابراین شما باید یک پایه برای باتری ها طراحی کرده و آنها را سیم کشی کنید. ولتاژهای کارکرد ، جریان فعلی سرووها و آردوینو را در نظر داشته باشید (به غیر از 5 ولت چیزی را لحیم نکنید) پین 5v در آردوینو ، اگر ولتاژ بیشتری دارید به پین Vin بروید).

مرحله 6: آزمایش کنید همه چیز در حال کار است

قبل از ادامه ، اجازه دهید فقط آزمایش کنیم همه چیز در حال کار است. این کد را بارگذاری کنید. مار شما باید هر سروو را به طور جداگانه بین 0-180 حرکت داده و سپس با قرار دادن در یک خط مستقیم به پایان برساند. اگر اینطور نیست ، مشکلی وجود دارد ، به احتمال زیاد سیم کشی نادرست است یا سروها در ابتدا 90 درجه نبودند ، همانطور که در بخش "مونتاژ مارها" ذکر شد.

مرحله 7: کد

در حال حاضر هیچ کنترل از راه دور برای مار وجود ندارد ، تمام حرکت از قبل برنامه ریزی شده است و شما می توانید آنچه را که می خواهید انتخاب کنید. من در نسخه 2 یک کنترل از راه دور ایجاد می کنم ، اما اگر می خواهید از راه دور آن را کنترل کنید ، پیشنهاد می کنم به دنبال آموزش های دیگر در مورد دستورالعمل ها باشید و مار را با بلوتوث سازگار کنید.

اگر در حال ساخت مار یک بعدی هستید این کد را بارگذاری کنید.

اگر در حال ساخت مار دو بعدی هستید این کد را بارگذاری کنید.

من شما را تشویق می کنم که با کد بازی کنید ، تغییرات خود را ایجاد کرده و الگوریتم های جدیدی ایجاد کنید. چندین بخش بعدی را بخوانید تا جزئیات هر نوع حرکت و نحوه کار کد آن را توضیح دهید.

مرحله 8: مقیاس در مقابل چرخ

یکی از اصلی ترین راه هایی که مارها می توانند به جلو حرکت کنند ، شکل فلس های آنها است. ترازوها حرکت راحت تر رو به جلو را امکان پذیر می کنند. برای توضیح بیشتر این ویدئو را از ساعت 3:04 به بعد ببینید تا ببینید که چگونه فلس ها به مار کمک می کنند تا به جلو حرکت کند. نگاه کردن به 3:14 در همان ویدئو ، اثر مارها را در آستین نشان می دهد و اصطکاک ترازو را از بین می برد. همانطور که در ویدئوی YouTube من نشان داده می شود ، هنگامی که مار روباتیک 1D سعی می کند روی چمن بدون فلس پولک بزند ، از آنجا که نیروها به صفر خالص می رسد ، نه به جلو و نه به عقب حرکت می کند. به این ترتیب ما باید مقداری ترازو مصنوعی به قسمت زیرین ربات اضافه کنیم.

تحقیقات در زمینه بازسازی حرکت از طریق ترازو در دانشگاه هاروارد انجام شد و در این ویدئو نشان داده شد. من نتوانستم روشی مشابه برای جابجایی ترازو بر روی رباتم طراحی کنم و در عوض به ضمیمه کردن ترازوهای پرینت سه بعدی منفعل به زیر شکم بسنده کردم.

متأسفانه این امر بی اثر شد (در ویدیوی YouTube من در 3:38 مشاهده کنید) زیرا ترازوها هنوز به جای گرفتن الیاف و افزایش اصطکاک روی سطح فرش ، روی سطح فرش کرده اند.

اگر مایل به آزمایش مقیاس هایی هستید که من ساخته ام ، می توانید فایل ها را از GitHub من به صورت سه بعدی چاپ کنید. اگر خودتان موفق شدید ، در نظرات زیر به من اطلاع دهید!

با استفاده از رویکردی دیگر ، سعی کردم از چرخ های ساخته شده از بلبرینگ r188 با لوله های کوچک کننده حرارتی در خارج به عنوان "لاستیک" استفاده کنم. می توانید محورهای پلاستیکی چرخ را از فایل های.stl در GitHub من چاپ کنید. در حالی که چرخ ها از نظر بیولوژیکی دقیق نیستند ، شبیه به مقیاس ها هستند زیرا چرخش به جلو آسان است ، اما حرکت به طرف دیگر به طور قابل توجهی سخت تر است. نتیجه موفقیت آمیز چرخ ها را می توانید در ویدیوی YouTube من مشاهده کنید.

مرحله 9: حرکت کشویی (مار تک محور)

جایزه اول در مسابقه Make it Move